KR102132925B1 - 피부 영상 기반 혈량 측정 방법 및 이를 지원하는 장치 - Google Patents

피부 영상 기반 혈량 측정 방법 및 이를 지원하는 장치 Download PDF

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Abstract

본 명세서는 카메라를 포함하는 장치에 의해 혈량을 측정하는 방법에 있어서, 상기 카메라를 이용하여 피부 영상을 촬영하는 단계; 상기 촬영 영상에서 피부 영역을 검출하는 단계; 상기 피부 영역에 대한 색상 데이터 평균값을 계산하는 단계; 상기 색상 데이터 평균값에 LPF(Low Pass Filter)를 적용하여 맥파 신호를 산출하는 단계; 상기 맥파 신호의 특정 주파수 범위 내에서 1차 피크 지점을 검출하고, 상기 검출된 2차 피크 지점을 검출하는 단계; 및 상기 피크 지점간의 간격을 이용하여 산출된 기울기 및 신체 정보를 이용하여 혈량(blood volume) 상태를 측정하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

피부 영상 기반 혈량 측정 방법 및 이를 지원하는 장치{METHOD AND APPARATUS FOR ESTIMATING BLOOD VOLUME BASED ON A SKIN IMAGE}
본 발명은 혈량을 측정하는 방법 및 이를 지원하는 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 피부 영상 기반 혈량 측정 방법 및 이를 지원하는 장치에 관한 것이다.
다양한 원인을 통해 신체 내 혈액, 수분 및 전해질이 부족할 경우 저혈량증(hypovolemia)의 증상이 나타나게 된다. 이는 몸의 혈액이나 체액 공급량의 20%(1/5)가 넘게 상실될 때 초래되는 생명을 위협하는 병태로, 심한 체액 상실은 그로 인해 심장이 충분한 혈액을 몸으로 송출하는 것을 불가능하게 한다. 또한, 혈량은 순환계에 있는 적혈구 및 혈장의 총 부피를 나타내며, 평균적으로 성인은 약 5,000mL의 혈량을 가질 수 있으며 여성은 일반적으로 남성보다 혈량이 적다.
혈량 측정은 울혈성 심부전, 신부전 및 중환자 치료에 중요하며 개인적인 용도로 설계된 예상 혈량 추정식인 Gilcher’s Ruleof Five를 사용하여 수행된다. 하지만, 상기 혈량 추정 식은 실제 사용자의 혈량 상태(저·고혈량) 등을 반영할 수 없다는 단점을 가지고 있다. 또한, 이를 대체하기 위해 최근에는 환자의 혈액을 채취하지 않고 실제 사용자의 혈량 상태를 반영할 수 있도록 접촉식 생체 신호 측정 장비를 이용하여 맥파 신호를 산출하고 산출된 맥파 신호의 다양한 변화를 분석하여 혈량을 측정하는 방법이 사용된다. 그러나, 상기 기술은 생체신호 측정 장비를 이용하여 사용자의 피부와 직접적으로 접촉해서 수행해야 된다는 단점이 있다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하기 위하여, 피부 영상의 색상 데이터를 이용하여 맥파 신호를 산출하고 이를 분석하여 혈량을 산출함으로써 비접촉식 방식의 혈량 측정이 가능하도록 하는 피부 영상을 이용한 혈량 측정 및 이를 활용한 혈량 상태를 진단하는 방법을 제공함에 목적이 있다.
본 발명의 측면에 따르면, 사용자의 신체 정보(성별, 키, 몸무게 등)를 입력하는 단계; 카메라를 이용하여 피부 영상을 촬영하는 단계; 상기 촬영 영상에서 피부 관심 영역을 검출하는 단계; 상기 피부 관심 영역에 대한 색상 데이터 평균값을 계산하는 단계; 상기 색상 데이터 평균값에 LPF(Low Pass Filter)를 적용하여 맥파 신호를 산출하는 단계; 상기 맥파 신호에 FFT(Fast Fourier Transform)를 적용하고 맥파 신호의 특정 주파수 범위(0~4Hz) 내 피크 지점을 검출하는 단계; 및 상기 피크 지점을 이용하여 기울기를 산출하는 단계 및 상기 기울기와 신체 정보(성별, 키, 몸무게 등)를 이용하여 사용자의 혈량(blood volume)을 측정하고 혈량 상태를 진단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 혈량 측정 방법에 있어서, 상기 특정 주파수 영역에서 계산된 기울기를 산출하는 단계에 있어서, 특정 주파수 범위는 0~4Hz인 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 먼저 사용자의 신체 정보(성별, 키, 몸무게 등)를 입력하고, 카메라를 이용하여 피부 영상을 촬영한다. 연산 장치가 피부 관심 영역을 검출하는 알고리즘은 종래 알려진 다양한 기법을 이용할 수 있다.
연산 장치는 피부 관심 영역에 대한 색상 데이터 평균값을 계산한다. 연산 장치는 추출한 피부 영역 전체에 대한 색상 데이터 평균값을 구할 수도 있다. 연산 장치는 연속된 영상(연속된 프레임)에서 지속적으로 색상 데이터를 계산한다.
색상 데이터는 다양한 값이 사용될 수 있다. 예컨대, (1) 색상 데이터는 RGB 색상 체계를 기준으로 R값, G값 및 B값 중 적어도 하나를 사용할 수 있다. 색상 데이터는 R값, G값 및 B값 중 적어도 하나에 대한 평균값을 사용할 수도 있다. (2) 연산 장치는 RGB 색상 체계를 다른 색상 체계로 변환할 수 있다. 예컨대, 연산 장치는 RGB 색상 체계를 YUV, HSV, YCbCr, YCgCo 등과 같은 다양한 색상 체계로 변환할 수 있다. 이 경우 색상 데이터는 주변 환경(조도 등)에 영상을 적게 받는 색차 성분 중 하나를 이용할 수 있다. 예컨대, YCbCr의 경우 Cb 또는 Cr 중 적어도 하나를 이용할 수 있다. YCgCo의 경우는 Cg 또는 Co 중 적어도 하나를 이용할 수 있다. 나아가 두 개의 색차 성분 중 조도의 변화에 보다 강인한 어느 하나를 이용할 수 있다. 예컨대, YCgCo의 경우는 Cg만을 이용할 수 있다. 이 경우 연산 장치는 피부 영역의 Cg 색상 데이터의 평균값을 색상 데이터로 추출할 수 있다. (3) 나아가 색상 데이터는 RGB, YUV, HSV, YCbCr, YCgCo 등과 같은 다양한 색상 체계에서 적어도 하나 이상의 색 성분에 가중치를 적용하여 조합한 값일 수도 있다. 색 성분을 조합하는 경우 색상 데이터는 색상 체계 및 색 성분의 종류에 따라 서로 다른 가중치를 부여한 값을 합산한 값일 수도 있다. 이하 연산 장치는 YCgCo에서 Cg 색상 데이터 평균값을 구하여 사용한다고 가정한다. 연산 장치는 RGB 색상 체계를 갖는 얼굴 영상을 아래 수학식 1을 이용하여 YCgCo 색상 체계로 변경할 수 있다.
Figure 112018016998488-pat00001
연산 장치는 카메라로 촬영한 피부 영상의 RGB 색상 체계를 YCgCo 색상 체계로 변환한다. 다른 예로, 소스 영상이 적외선 카메라로 촬영된 적외선 영상인 경우, 색상 데이터 평균값 획득부는 피부 영역에서 Gray 색상 데이터 평균값을 추출하여 이용할 수 있다.
피부 관심 영역에서 지속적으로 계산된 Cg 색상 데이터 평균값에 LPF(Low Pass Filter)를 적용하여 맥파 신호를 산출하고, 산출된 맥파 신호에 FFT(Fast Fourier Transform)을 적용하여 주파수 영역으로 변환한다. 상기 맥파 신호의 특정 주파수 범위(0~4Hz) 내 피크 지점을 검출하고 검출된 피크 지점을 이용하여 기울기를 산출한다. 상기 산출된 기울기와 신체 정보(성별, 키, 몸무게 등)를 아래 표 1에 제시된 수학식에 적용하여 성별에 따른 사용자 혈량을 측정할 수 있다.
Figure 112018016998488-pat00002
표 1에서 BV(Blood volume)는 평균 혈량을 나타내며, g는 피부 영상의 맥파 신호 주파수 영역에서 계산된 기울기 값, w는 몸무게(weight)를 나타낸다. 계산된 기울기 값과 신체 정보(성별 및 몸무게)를 이용하여 혈량을 측정할 수 있다.
메모리는 피부 영상과 접촉식 생체신호 측정 장치에서 산출된 맥파 신호의 특정 주파수 범위 내 피크 지점을 이용하여 추정된 기울기의 상관 관계를 나타내는 "피크 간 기울기 회귀분석 식"을 저장하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
연산 장치는 "피크 간 기울기 회귀분석 식"을 상기 메모리로부터 검색하고, 상기 Cg 색상 데이터 평균값을 이용하여 추정된 기울기를 "피크 간 기울기 회귀분석 식"에 적용하여 개선된 기울기를 측정할 수 있다.
메모리는 피부 영상과 접촉식 생체신호 측정 장치에서 산출된 기울기와 신체 정보를 상기 표 1에 제시된 수학식에 적용하여 계산된 혈량의 상관 관계를 나타내는 "혈량 회귀분석 식"을 저장하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
연산 장치는 "혈량 회귀분석 식"을 상기메모리로부터 검색하고, 상기 Cg 색상 데이터 평균값을 이용하여 추정된 혈량을 "혈량 회귀분석 식"에 적용하여 개선된 혈량을 측정할 수 있다.
본 발명에 따른 피부 영상을 이용한 혈량 측정 방법 및 이를 지원하는 장치에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 비접촉 방식으로 혈량을 측정할 수 있고, 사용자의 신체 정보(성별, 키, 몸무게 등)를 고려하여 혈량 측정이 이루어지므로 정확도를 높일 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 두 단계의 회귀분석을 통해 혈량 측정의 오차를 줄일 수 있다는 장점이 있다.
이하 설명하는 기술은 혈량을 측정하기 위한 별도의 장비 없이 스마트폰과 같은 간단한 장치를 사용하여 영상을 촬영하고, 촬영한 영상을 이용하여 혈량을 측정할 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 피부 영상을 이용한 혈량 측정 장치의 개략적인 구성도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 피부 영상을 이용한 혈량 측정 방법의 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 피부 영상을 이용한 혈량 산출에 사용되는 기울기를 계산하는 방법을 설명하기 위한 도면이다
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 피부 영상을 이용한 개선된 기울기를 이용하여 개선된 혈량을 계산하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 회귀분석이 적용된 개선된 기울기 및 회귀분석 식을 이용하여 개선된 혈량을 산출하는 과정을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 피부 영상 및 PPG 장치에서 계산된 기울기에 회귀분석을 적용하여 개선된 기울기 계산에 사용되는 회귀분석 식을 산출하고, 이를 피크 간 기울기 회귀분석 식 DB에 저장하는 과정을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 피부 영상에서 산출된 맥파 신호의 상, 하단 피크 지점의 진폭 변화를 이용하여 저혈량 상태 진단하는 과정을 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련되어 기재된 항복들의 조합 또는 복수의 관련 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
도면에 대한 상세한 설명을 하기에 앞서, 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주기능 별로 구분한 것에 불과함을 명확히 하고자 한다. 즉, 이하에서 설명할 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 이하에서 설명할 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.
또, 방법 또는 동작 방법을 수행함에 있어서, 상기 방법을 이루는 각 과정들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 과정들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 해석되지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 설명되는 피부 영상을 이용한 혈량 측정 장치는 응용 프로그램 또는 어플리케이션을 다운로드 받을 수 있는 일반 PC, 태블릿 PC(tablet PC), 울트라북(ultrabook),랩탑, 컴퓨터, 휴대폰, 스마트 폰(smart phone), 디지털방송용 단말기, PDA(personal digital assistants), PMP(portable multimediaplayer) 등의 카메라가 탑재된 전자 장치를 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 피부 영상을 이용하여 혈량을 측정하고 혈량 상태를 진단하는 장치의 구성을 도시한 예이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예와 관련된 피부 영상을 이용한 혈량 측정 장치(100)는 카메라(110), 메모리(120), 및 연산 장치(130)를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 피부 영상을 이용한 혈량 측정 장치(100)는 디스플레이부(140)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
카메라(110)는 일반 카메라 또는 적외선 카메라 등을 이용하여 이미지 센서에 의해 얻어지는 정지 영상 또는 동영상 등의 화상 프레임을 처리하고, 처리된 화상 프레임은 디스플레이부(140)에 표시되거나 메모리(120)에 저장될 수 있다.
카메라(110)는 일반 카메라 또는 적외선 카메라 등에 해당될 수 있다. 카메라가 적외선 카메라인 경우, 장치는 주/야간에 관계없이 소스 영상을 획득하고, 이를 이용하여 혈액 점도를 측정할 수 있다. 또한, 장치는 별도의 외부 장치나 서버에 미리 저장된 영상을 수신하여 소스 영상으로 이용할 수 있다. 이 경우, 장치는 통신부를 더 포함할 수 있고, 다양한 통신 방법에 의해 소스 영상을 수신할 수 있다.
메모리(120)는 연산 장치(130)로부터 입/출력되는 데이터들을 임시 저장할 수도 있다. 메모리(120)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), SSD 타입(Solid State Disk type), SDD 타입(Silicon Disk Drive type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들어 SD 또는 XD 메모리 등), 램(random access memory; RAM), SRAM(static random access memory), 롬(read-only memory; ROM), EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory), PROM(programmable read-only memory), 자기 메모리, 자기 디스크 및 광디스크 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다.
특히, 메모리(120)는 영상의 피부 관심 영역 내 색상 데이터 평균값과 PPG 장치를 통해 산출된 기울기 및 혈량의 상관 관계를 나타내는 회귀분석 식을 “피크 간 기울기 회귀분석 식 DB”와 “혈량 회귀분석 식 DB”에 저장할 수 있다.
연산 장치(130)는 카메라(110)로 촬영한 영상으로부터 피부 관심 영역을 검출한다. 연산 장치(130)가 피부 관심 영역을 검출하는 알고리즘은 종래 알려진 다양한 기법을 이용할 수 있다. 연산 장치(130)는 피부 관심 영역에 대한 색상 데이터 평균값을 계산한다.
연산 장치(130)는 추출한 피부 영역 전체에 대한 색상 데이터 평균값을 구할 수도 있다. 또한 연산 장치(130)는 촬영한 영상에서 특정한 피부 영역에 대한 색상 데이터 평균값을 구할 수 있으며, 연산 장치(130)는 연속된 영상(연속된 프레임)에서 지속적으로 색상 데이터를 구한다.
연산 장치(130)는 색상 데이터 평균값에 LPF(Low Pass Filter)를 적용하여 맥파 신호를 산출하고, FFT(Fast Fourier Transform)을 적용하여 주파수 영역으로 변환한다. 변환된 주파수 영역의 특정 주파수 범위(0~4Hz) 내에서 검출된 피크 지점을 이용하여 혈량 측정을 위한 파라미터인 기울기를 계산한다.
연산 장치(130)는 혈량을 측정하기 위해 성별에 대응하는 혈량 추정식을 메모리(120)로부터 검색하고, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 계산된 기울기와 신체 정보(키, 몸무게 등)를 상기 표 1에 제시된 수학식에 적용하여 혈량을 산출할 수 있다.
구체적으로, 연산 장치(130)는 필터링된 Cg 색상 데이터 평균값에서 계산된 기울기를 메모리(120)로부터 검색된 “피크 간 기울기 회귀분석식”에 적용하여 개선된 기울기를 측정할 수 있다. 또한, 연산 장치(130)는 상기 기울기와 신체 정보(성별, 키, 몸무게 등)를 이용하여 계산된 혈량을 메모리(120)로부터 검색된 “혈량 회귀분석식”에 적용하여 개선된 혈량을 측정할 수 있다.
피부 영상을 이용한 혈량 측정이 완료되면, 연산 장치(130)는 혈량 측정 결과를 디스플레이부(140)에 표시할 수 있다. 구체적으로, 연산 장치(130)는 혈량을 수치로 표시할 수 있다. 디스플레이부(140)는 피부 영상을 이용한 혈량 측정 장치(100)에서 처리되는 혈량 수치 및 진단 정보를 표시한다. 예를 들어, 피부 영상을 이용한 혈량 측정 장치(100)에서 구동되는 응용 프로그램의 실행화면 정보, 또는 이러한 실행화면 정보에 따른 UI(User Interface), GUI(Graphic User Interface) 정보를 표시할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 피부 영상을 이용한 혈량 측정 방법의 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예와 관련된 피부 영상을 이용한 혈량 측정 방법은 사용자의 신체 정보(성별, 키, 몸무게 등)를 입력하고(S210), 카메라를 이용하여 피부 영상을 촬영하고 피부 관심 영역을 검출한다(S220). 컴퓨터 장치는 피부 관심 영역에 대한 색상 데이터 평균값을 계산한다(S230). 컴퓨터 장치는 추출한 피부 영역 전체에 대한 색상 데이터 평균값을 구할 수도 있다. 또한 컴퓨터 장치는 촬영한 영상에서 특정한 피부 관심 영역에 대한 색상 데이터 평균값을 구할 수도 있다. 컴퓨터 장치는 피부 관심 영역에서 계산된 색상 데이터 평균값에 LPF(Low Pass Filter)를 적용하여 맥파 신호를 산출하고(S240), 산출된 맥파 신호에 FFT(Fast Fourier Transform)를 적용하여 주파수 영역으로 변환한다(S250).
컴퓨터 장치는 맥파 신호의 주파수 영역에서 혈량 추정을 위한 주파수 범위(0~4Hz)를 설정하고(S260), 설정된 주파수 범위 내에서 피크 지점을 검출한 후 피크 간 기울기를 계산한다. 기울기 산출 방법은 특정 주파수 범위에서 1 차적으로 피크 지점을 검출하고, 상기 1차 검출된 피크 지점에서 2차적으로 피크 지점을 검출한다. 2차 검출된 피크 중 가장 큰 피크 값을 가지는 지점에서 다음 피크 지점까지의 거리와 높이 변화를 이용하여 기울기를 계산할 수 있다(S270).
컴퓨터 장치는 상기 산출된 기울기와 신체 정보(성별, 키, 몸무게 등)를 상기 표 1에 제시된 수학식에 적용하여 사용자의 혈량을 측정할 수 있다(S280). 또한, 표 1에서 제시된 혈량 추정식은 아래 표 2의 값에 기초하여 추정될 수 있으며, 컴퓨터 장치는 혈량 추정식을 산출하기 위해 아래 표 2에 제시된 Gilcher's Ruleof Five를 통해 제시된 신체 정보(성별, 키, 몸무게)에 따른 평균 혈량과 0부터 -1까지의 기울기 변화를 이용하여 성별에 따른 정상인 표준 혈량을 산출할 수 있다.
Figure 112018016998488-pat00003
컴퓨터 장치는 피부 영상으로부터 계산된 기울기 값과 신체 정보(성별, 키, 몸무게 등)를 상기 표 1에 제시된 혈량 추정식에 적용하여 성별에 따른 혈량을 측정할 수 있다. 컴퓨터 장치는 산출된 혈량을 이용하여 사용자의 혈량을 수치로 표시할 수 있고 상태를 진단할 수 있으며, 입력된 사용자의 신체 정보(키, 몸무게 등)를 아래 표 3에 적용하여 정상인 표준 혈량을 계산할 수 있다. 피부 영상으로부터 추정된 혈량과 사용자의 신체 정보를 표 3에 적용하여 추정된 정상인 표준 혈량을 아래 표 4에 적용하여 사용자의 혈량 상태를 진단할 수 있다(S290).
Figure 112018016998488-pat00004
상기 표 3에서, BV(Blood Volume)는 혈량(리터(L) 단위)을 나타내며, h(height)는 키(미터(m) 단위), w(weight)는 몸무게(키로그램(kg) 단위)를 나타낸다.
Figure 112018016998488-pat00005
상기 표 4에서, 기울기는 피부 영상의 맥파 신호로부터 계산된 기울기 이며, 추정BV(Blood Volume)는 성별에 따른 피부 영상으로부터 추정된 사용자 혈량이고, 표준BV는 성별에 따른 사용자의 신체 정보(키, 몸무게)를 이용하여 산출된 정상인 표준 혈량을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 피부 영상을 이용한 혈량 산출에 사용되는 기울기를 계산하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예와 관련된 피부 영상을 이용한 혈량 측정 방법은 카메라를 이용하여 영상을 촬영하고(S310), 얼굴 영역을 검출한다(S320). 촬영한 얼굴 영상으로부터 피부 영역을 검출하고(S330), 피부 관심 영역을 검출한다(S340). 컴퓨터 장치는 검출된 피부 관심 영역에 대한 색상 데이터 평균값을 계산한다(S350). 컴퓨터 장치는 추출한 피부 영역 전체에 대한 색상 데이터 평균값을 구할 수도 있다. 또한 컴퓨터 장치는 촬영한 영상에서 특정한 피부 영역에 대한 색상 데이터 평균값을 구할 수도 있다.
컴퓨터 장치는 피부 관심 영역에서 계산된 색상 데이터 평균값에 LPF(Low Pass Filter)를 적용하여 맥파 신호를 산출하고(S360), 산출된 맥파 신호에 FFT(Fast Fourier Transform)를 적용하여 주파수 영역으로 변환한다. 컴퓨터 장치는 맥파 신호의 주파수 영역에서 혈량 추정을 위한 특정 주파수 범위(0~4Hz)를 설정하고(S370), 설정된 특정 주파수 범위 내에서 피크 지점을 검출한 후 검출된 피크 지점을 이용하여 피크 간 기울기를 산출한다. 기울기 산출 방법은 특정 주파수 범위에서 1 차적으로 피크 지점을 검출하고, 상기 1차 검출된 피크 지점에서 2차적으로 피크 지점을 검출한다. 여기서, 2차 검출된 피크 중 가장 큰 피크 값을 가지는 지점에서 다음 피크 지점까지의 거리와 높이 변화를 이용하여 기울기를 산출할 수 있다(S380).
도 4는 내지 도 6은 본 발명의 실시예와 관련된 피부 영상을 이용한 혈량 측정 방법에 있어서, 개선된 기울기와 혈량을 산출하는 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 피부 영상을 이용한 개선된 기울기를 이용하여 개선된 혈량을 계산하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 피부 영상을 이용한 혈량 측정 장치는 피부 관심 영역에서 계산된 색상 데이터 평균값에 LPF(Low Pass Filter)를 적용하여 맥파 신호를 산출하고(S410), 이 신호에 FFA(Fast Fourier Transform)를 적용하여 혈량 측정을 위한 특정 주파수 범위(0~4Hz)로 설정한다. 그리고 설정된 특정 주파수 범위 내에서 1 차적으로 피크 지점을 검출하고, 상기 1 차 검출된 피크 지점에서 2 차적으로 피크 지점을 검출한다(S420). 2차 검출된 피크 중 가장 큰 피크 값을 가지는 지점에서 다음 피크 지점까지의 거리와 높이 변화를 이용하여 기울기를 산출할 수 있다(S430).
피부 영상으로부터 계산된 피크 간 기울기를 “피크 간 기울기 회귀분석 식 회귀분석 식”에 적용하여 개선된 기울기를 산출할 수 있다(S440). 다음으로, 혈량 측정 장치는 기울기와 신체 정보(성별, 키, 몸무게 등)를 이용하여 혈량을 산출하고(S450), 산출된 혈량을 “혈량 회귀분석 식”에 적용하여 개선된 혈량을 측정할 수 있다(S460). “피크 간 기울기 회귀분석 식”과 “혈량 회귀분석 식”은 도 5 내지 도 6에서 자세히 설명한다.
이하에선 회귀분석에 대해 설명한다.
회귀분석 식은 회귀 직선 또는 회귀 곡선을 의미한다. 회귀분석은 상관도(Scatter diagram) 상의 점집합을 직선 또는 곡선으로 대표시켜 구한 회귀 식이다. 회귀 직선은 두 변량 사이의 관계를 나타낸다. 장치는 동일 영역에 대한 영상 피크 간 기울기 또는 혈량 DB와 PPG 장치의 피크 간 기울기 또는 혈량 DB를 이용하여 회귀 직선과 곡선 식을 도출할 수 있다. 회귀 직선 식은 아래의 수학식 2로 나타낼 수 있으며, 회귀 곡선 식은 수학식 3으로 나타낼 수 있다.
Figure 112018016998488-pat00006
일 예로, 수학식 2에서 y가 개선된 피크 간 기울기인 경우, x는 피부 영상으로부터 측정된 영상 피크 간 기울기에 해당한다. 다른 예로, y가 개선된 혈량인 경우, x는 피부 영상으로부터 측정된 혈량에 해당한다. 상수 a 또는 b는 사용되는 데이터에 따라 값이 변경될 수 있다.
Figure 112018016998488-pat00007
일 예로, 수학식 3에서 y가 개선된 피크 간 기울기인 경우, x는 피부 영상으로부터 측정된 영상 피크 간 기울기에 해당된다. 다른 예로, y가 개선된 혈량인 경우, x는 피부 영상으로부터 측정된 혈량에 해당된다. 상수 a, b 또는 c는 사용되는 데이터에 따라 값이 변경될 수 있다.
아래 표 5, 6은 개선된 피크 간 기울기와 개선된 혈량 측정에 사용되는 회귀 직선 및 곡선 식을 나타낸다.
Figure 112018016998488-pat00008
표 5에서 y는 개선된 피크 간 기울기를 나타내며, x는 피부 영상으로부터 계산된 피크 간 기울기에 해당된다.
Figure 112018016998488-pat00009
표 6에서 y는 개선된 혈량을 나타내며, x는 피부 영상으로부터 계산한 혈량에 해당된다.
개선된 피크 간 기울기 및 개선된 혈량에 사용되는 회귀분석 식을 마련하는 과정에 대한 자세한 사항은 후술한다.
아래의 표 7은 복수의 피험자에 대한, PPG 장치 및 피부 영상을 각각 이용하여 계산된 피크 간 기울기 및 평균 오차율의 예를 나타낸다.
Figure 112018016998488-pat00010
표 7을 참조하면, 피부 영상을 이용하여 계산한 피크 간 기울기와 PPG 장치를 이용하여 계산된 피크 간 기울기의 오차율은 7.35%를 나타낸다.
아래 표 8은 표 7의 데이터에 회귀분석을 적용하여 산출된 피크 간 기울기 값의 평균 오차율의 일 예를 나타낸다.
Figure 112018016998488-pat00011
표 8을 참조하면, 회귀 직선과 회귀 곡선에 피부 영상에서 산출된 피크 간 기울기를 적용한 경우 오차율이 개선된 것을 확인할 수 있다.
Figure 112018016998488-pat00012
표 9를 참조하면, 피부 영상을 이용하여 측정한 혈량과 PPG 장치를 이용하여 측정된 혈량의 오차율은 1.25%를 나타낸다.
아래 표 10은 표 9의 데이터에 회귀분석을 적용하여 산출된 혈량 값의 평균 오차율의 일 예를 나타낸다.
Figure 112018016998488-pat00013
표 10을 참조하면, 회귀 직선과 회귀 곡선에 피부 영상에서 산출된 혈량을 적용한 경우 오차율이 개선된 것을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 회귀분석이 적용된 개선된 기울기 및 회귀분석 식을 이용하여 개선된 혈량을 산출하는 과정을 나타낸다.
도 5를 참조하면, 혈량 측정 장치는 피부 영상과 접촉식 생체신호 측정 장치로부터 산출된 맥파 신호에 FFT(Fast Fourier Transform)을 적용하여 주파수 영역으로 변환하고, 혈량 측정을 위한 특정 주파수 범위를 설정한다.
컴퓨터 장치는 설정된 주파수 범위(0~4Hz)에서 피크 지점을 검출하고, 검출된 피크 지점을 이용하여 피크 간 기울기 값을 산출한다. 피부 영상에서 계산된 기울기를 “피부 영상에서 계산된 피크 간 기울기 DB”에 저장하고, PPG 장치에서 계산된 피크 간 기울기를 “PPG 장치에서 계산된 피크 간 기울기 DB”에 저장한다. 그리고, 컴퓨터 장치는 피부 영상과 PPG 장치에서 계산된 피크 간 기울기에 회귀분석을 적용하여 회귀 직선(또는 곡선) 식을 산출하고, 이를 “피크 간 기울기 회귀분석 식 DB”에 저장한다.
회귀분석 식은 상관도 상의 점집합을 직선 또는 곡선으로 대표하여 두 변량 사이의 관계를 나타낸 것이다.
컴퓨터 장치는 피부 영상으로부터 추정된 기울기를 “피크 간 기울기 회귀분석 식 DB”에 적용하여 개선된 기울기를 측정할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 피부 영상 및 PPG 장치에서 계산된 기울기에 회귀분석을 적용하여 개선된 기울기 계산에 사용되는 회귀분석 식을 산출하고, 이를 피크 간 기울기 회귀분석 식 DB에 저장하는 과정을 나타낸다.
도 6을 참조하면, 혈량 측정 장치는 피부 영상과 접촉식 생체신호 측정 장치로부터 산출된 맥파 신호에 FFT(Fast Fourier Transform)을 적용하여 주파수 영역으로 변환하고, 혈량 측정을 위한 특정 주파수 범위를 설정한다.
컴퓨터 장치는 설정된 주파수 범위(0~4Hz)에서 피크 지점을 검출하고, 검출된 피크 지점을 이용하여 피크 간 기울기 값을 산출한다. 컴퓨터 장치는 산출된 피크 간 기울기와 신체 정보(성별, 키, 몸무게 등)를 상기 표 1에 제시된 수학식에 적용하여 혈량을 산출한다. 피부 영상에서 산출된 혈량을 “피부 영상에서 측정한 혈량 DB”에 저장하고, PPG 장치에서 산출된 혈량을 “PPG 장치에서 측정된 혈량 DB”에 저장한다. 그리고, 컴퓨터 장치는 피부 영상과 PPG 장치에서 측정된 혈량에 회귀분석을 적용하여 회귀 직선(또는 곡선) 식을 산출하고, 이를 “혈량 회귀분석 식 DB”에 저장한다.
회귀분석 식은 상관도 상의 점집합을 직선 또는 곡선으로 대표하여 두 변량 사이의 관계를 나타낸 것이다.
컴퓨터 장치는 피부 영상으로부터 추정된 혈량을 “혈량 회귀분석 식 DB”에 적용하여 개선된 혈량을 측정할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 피부 영상으로부터 산출된 혈량을 이용하여 사용자의 (저)혈량 상태를 진단하는 방법의 순서도를 나타낸다.
컴퓨터 장치는 카메라를 이용하여 피부 영상을 촬영하고, 촬영된 피부 영상에서 피부 관심 영역을 검출한다.
컴퓨터 장치는 피부 관심 영역에서 지속적으로 계산된 Cg 색상 데이터 평균값에 BPF(Band Pass Filter)를 적용하여 맥파 신호를 산출하고, 산출된 맥파 신호에서 1차 상/하단의 피크 지점을 검출한다. 그리고 컴퓨터 장치는 상기 1차 검출된 피크 지점에서 2차 상/하단 피크 지점을 검출하고, 2차 검출된 피크 지점에서 상단의 가장 큰 피크(Maxmax) 및 가장 작은 피크(Minmax)와 하단의 가장 큰 피크(Minmax)와 가장 작은 피크(Minmin)을 검출한다. 컴퓨터 장치는 맥파 신호에서 계산된 (저)혈량 추정 파라미터(상단 피크 및 하단 피크에서 가장 큰 피크와 가장 작은 피크)를 아래 수학식 4에 적용하여 피크 지점 간의 차이(△top)를 산출한다.
Figure 112018016998488-pat00014
컴퓨터 장치는 산출된 피크 지점의 차이 값을 아래 수학식 5에 적용하여 사용자의 (저)혈량 상태를 추정할 수 있다.
Figure 112018016998488-pat00015
본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 상술한 기술에 포함된 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하다. 상술한 기술의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서, 당해 기술 분야의 통상의 기술자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 상술한 기술의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.
100: 피부 영상을 이용한 혈량 측정 장치
110: 카메라
120: 메모리
130: 연산 장치
140: 디스플레이

Claims (17)

  1. 카메라를 포함하는 장치에 의해 혈량을 측정하는 방법에 있어서,
    상기 카메라를 이용하여 피부 영상을 촬영하는 단계;
    상기 촬영 영상에서 피부 영역에 대한 색상 데이터 평균값을 계산하는 단계;
    상기 계산된 색상 데이터 평균값에 저대역 통과 필터(Low Pass Filter: LPF)를 적용하여 맥파 신호를 산출하는 단계;
    상기 산출된 맥파 신호를 특정 주파수 범위 내에서 1차적으로 피크 지점을 검출하고, 상기 검출된 1차 피크 지점을 기초로 2차적으로 피크 지점을 검출하여 가장 큰 피크 값을 가지는 지점을 검출하는 단계;
    상기 검출된 가장 큰 피크 값을 가지는 지점을 이용하여 기울기 값을 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 기울기 값과 신체 정보를 이용하여 혈량(blood volume)을 측정하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 특정 주파수 범위는 0에서 4Hz인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 혈량은 아래 표에서 정의된 수학식을 이용하여 성별에 따라 각각 측정되는 것을 특징으로 하는 방법.
    Figure 112018016998488-pat00016

    표에서, BV(Blood Volume)은 혈량을 나타내고, g는 기울기를 나타내고, w는 몸무게를 나타낸다.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 계산된 기울기 값을 미리 정의된 기울기 회귀분석 식에 적용하여 개선된 기울기 값을 계산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 측정된 혈량을 미리 정의된 혈량 회귀분석 식에 적용하여 개선된 혈량을 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 기울기 회귀분석 식은, 상기 피부 영역과 PPG 장치를 이용하여 계산된 기울기에 대한 회귀분석에 의해 미리 정의되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 혈량 회귀분석 식은, 상기 피부 영역과 PPG 장치를 이용하여 측정된 혈량에 대한 회귀분석에 의해 미리 정의되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 혈량 측정 장치에 있어서,
    피부 영상을 촬영하기 위한 카메라;
    상기 카메라와 기능적으로 연결되는 연산 장치를 포함하되, 상기 연산 장치는,
    상기 촬영 영상에서 피부 영역을 검출하고;
    상기 검출된 피부 영역에 대한 색상 데이터 평균값을 계산하고;
    상기 계산된 색상 데이터 평균값에 LPF(Low Pass Filter)를 적용하여 맥파 신호를 산출하고;
    상기 산출된 맥파 신호를 특정 주파수 범위 내에서 1차적으로 피크 지점을 검출하고, 상기 검출된 1차 피크 지점을 기초로 2차적으로 피크 지점을 검출하여 가장 큰 피크 값을 가지는 지점을 검출하고;
    상기 검출된 가장 큰 피크 값을 가지는 지점을 이용하여 기울기 값을 계산하고; 및
    상기 계산된 기울기 값과 신체 정보를 이용하여 혈량(blood volume)을 측정하는, 혈량 측정 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 연산 장치는, 아래 표에서 정의된 수학식을 이용하여 상기 혈량을 측정하는, 혈량 측정 장치.
    Figure 112018016998488-pat00017

    여기서, BV(Blood Volume)은 혈량을 나타내고, g는 기울기를 나타내고, w는 몸무게를 나타낸다.
  10. 제 8항에 있어서,
    회귀분석 함수가 저장된 회귀분석 데이터베이스를 포함하는 메모리를 더 포함하는, 혈량 측정 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 회귀분석 데이터베이스에 기울기 회귀분석 식이 저장되며, 상기 피부 영상에서 계산된 기울기를 상기 기울기 회귀분석 식에 적용하여 개선된 기울기를 계산하는, 혈량 측정 장치.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 회귀분석 데이터베이스에 혈량 회귀분석 식이 저장되며, 상기 피부 영상에서 측정된 혈량을 상기 혈량 회귀분석 식에 적용하여 개선된 혈량을 측정하는, 혈량 측정 장치.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 기울기 회귀분석 식은, 상기 피부 영상과 PPG 장치를 이용하여 계산된 기울기에 대한 회귀분석에 의해 미리 정의되는, 혈량 측정 장치.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 혈량 회귀분석 식은, 상기 피부 영상과 PPG 장치를 이용하여 측정된 혈량에 대한 회귀분석에 의해 미리 정의되는, 영상을 이용한 혈량 측정 장치.
  15. 카메라를 포함하는 장치에 의해 혈량을 측정하는 방법에 있어서,
    상기 카메라를 이용하여 피부 영상을 촬영하는 단계;
    상기 촬영 영상에서 피부 영역에 대한 색상 데이터 평균값을 계산하는 단계;
    상기 계산된 색상 데이터 평균값에 BPF(Band Pass Filter)를 적용하여 맥파 신호를 산출하는 단계;
    상기 산출된 맥파 신호에서 특정 주파수 범위 내 상단 및 하단부 각각에 대한 피크 지점을 검출하는 단계;
    상기 검출된 상단부 및 하단부의 피크 지점에서 최대 피크(Maximum peak) 지점과 최소 피크(Minimum peak) 지점을 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 각 피크 지점 값들의 차이를 이용하여 혈량을 측정하는 단계를 포함하여 이루어지고, 상기 검출된 각 피크 지점 값들의 차이는 아래 수학식을 이용하여 산출되며,
    Figure 112019126317273-pat00018

    Maxmax는 상단부의 가장 큰 피크에 해당하고, Maxmin은 상단부의 가장 작은 피크에 해당하며, Minmax는 하단부의 가장 큰 피크에 해당하고, Minmin은 하단부의 가장 작은 피크에 해당하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 삭제
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 혈량 측정은, 상기 검출된 각 피크 지점 값들의 차이를 아래 수학식에 적용하는, 방법.
    Figure 112019126317273-pat00019
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